燃料電池汽車整車控制器硬件在環(huán)實時仿真測試平臺設計
2013-08-12
本文基于Matlab／Simulink RTW和XPC Real-time Target實時仿真平臺，配合PCI數(shù)據(jù)采集卡底層軟件的開發(fā)和信號調(diào)理裝置硬件設計，系統(tǒng)地實現(xiàn)了燃料電池汽車整車控制器仿真測試平臺。利用該平臺可以對整車控制器硬件電氣特性、底層軟件平臺和控制算法等進行測試。
硬件在環(huán)實時仿真測試平臺方案設計
硬件在環(huán)實時仿真平臺構建了虛擬的整車環(huán)境，并基于虛擬的人機交互司機模型，將人作為硬件在環(huán)的一個元素引入到實際的仿真測試中，具體結構如圖2所示。兩個基于工業(yè)控制計算機的虛擬平臺分別為虛擬整車平臺和虛擬司機平臺。虛擬整車平臺基于Matlab／SimulinkxPC Target實時仿真環(huán)境，作用是模擬真實燃料電池客車的運行，為測試整車控制器提供所需的虛擬控制對象。虛擬司機平臺基于Matlab／Simulink RTW Target實時仿真環(huán)境，作用是模擬真實燃料電池客車的操控機構，配合加速踏板為測試整車控制器提供所需的虛擬駕駛環(huán)境。當兩個計算機虛擬平臺對實際環(huán)境進行模擬時，通過數(shù)據(jù)采集卡、CAN通訊卡與可配置的信號處理裝置相連，可配置的信號處理裝置對信號進行處理，從而實現(xiàn)真實的復雜整車環(huán)境，直接與整車控制器連接進行仿真測試試驗。并配有基于CAN總線的實時監(jiān)控裝置，可以全過程實時地監(jiān)控仿真測試試驗。
硬件在環(huán)實時仿真測試平臺硬件設計
虛擬平臺硬件設計
虛擬平臺的硬件需要完成計算機模型產(chǎn)生的虛擬信號到真實信號的轉(zhuǎn)換，這些信號包括數(shù)字量輸入輸出信號、模擬量輸入輸出信號和CAN通訊信號。例如燃料電池發(fā)動機啟動開關信號屬于數(shù)字信號，電機轉(zhuǎn)速信號屬于模擬信號，而控制器控制命令通過CAN總線網(wǎng)絡進行傳送。
虛擬平臺的數(shù)字信號和模擬信號通過PCI接口的數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)與真實世界的交換。采用的各種通訊卡一般都具有Matlab底層軟件驅(qū)動程序，可以直接用于實時仿真。對于部分不支持Matlab實時仿真環(huán)境的數(shù)據(jù)采集卡，可以采用Matlab／Simulink環(huán)境下的S函數(shù)編寫，并在Matlab環(huán)境下調(diào)用動態(tài)鏈接庫。本文采用的PCI1731、PCI1723和PCI1720板卡并不配套Matlab驅(qū)動程序，因此采用S函數(shù)進行集成。整個虛擬平臺共具備32路數(shù)字量輸入接口、32路數(shù)字量輸出接口、32路數(shù)字量輸入／輸出復用接口、32路模擬量輸入接口和20路模擬量輸出接口。
虛擬平臺產(chǎn)生或接收的CAN信號通過PCI總線與CAN通訊卡相連，由CAN通訊卡通過CAN總線與待測整車控制器進行通訊。虛擬平臺支持CAN2.0A和CAN2.0B擴展協(xié)議，能夠同時輸出2路獨立的CAN信號。
信號調(diào)理器硬件設計
由于燃料電池客車上的信號比較復雜，數(shù)字信號有24V、12V和5V等不同的驅(qū)動電平和驅(qū)動方式，模擬信號也有各種電壓范圍和驅(qū)動功率的不同需求。而從虛擬平臺經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡輸出的信號比較單一，故經(jīng)過信號調(diào)理器對信號進行調(diào)理后，才能夠完全再現(xiàn)燃料電池客車上的真實控制接口，直接與整車控制器連接進行仿真測試。
如圖2所示，虛擬平臺產(chǎn)生或接收的數(shù)字模擬信號通過PCI總線與數(shù)據(jù)采集卡相連。數(shù)據(jù)采集卡與可配置的信號調(diào)理器之間通過專用的數(shù)據(jù)線進行數(shù)據(jù)交換，經(jīng)過可配置的信號調(diào)理器對信號進行必要的放大、電平轉(zhuǎn)換、邏輯轉(zhuǎn)換后，輸出信號完全符合實際整車信號規(guī)范，并采用標準接口與待測整車控制器相連，從而實現(xiàn)對整車控制器的無縫連接。通過調(diào)整可配置信號調(diào)理器的配置方式，可以實現(xiàn)各種車輛的不同信號規(guī)范。信號調(diào)理器為靈活的母板子板設計，母板完成通用的信號連接電源供給等任務，子板完成具體的可配置信號處理功能。母板和子板聯(lián)合工作，可以根據(jù)用戶的需要隨時更換子板電路，以滿足不同仿真測試的需要。
硬件在環(huán)實時仿真測試平臺軟件設計
虛擬整車平臺軟件設計
虛擬整車平臺基于Matlab／Simulink平臺構建了燃料電池汽車仿真模型，該模型包括燃料電池發(fā)動機、DC-DC變換器、蓄電池、異步驅(qū)動電機及車輛負載。系統(tǒng)各部件模型一方面需考慮模型精度，另一方面必須滿足實時性的要求。整個模型在Matlab／Simulink xPC Target實時仿真環(huán)境上運行。整車仿真模型通過PCI數(shù)據(jù)采集卡和PCI CAN卡實現(xiàn)與駕駛員和整車控制器的通訊。
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